数字逻辑设计第10章 数模和模数转换器

1、1补充数模和模数转换器（DAC/ADC)2D/A转换、A/D转换的应用 模 拟 传感器 A/D 转换器 数字控制 计算机 D/A 转换器 模拟 控制器 工业生产过程控制对象 ADC和DAC已成为计算机系统中不可缺少的接口电路。传感器(温度、压力、流量、应力等）计算机进行数字处理（如计算、滤波）、数据保存等用模拟量作为控制信号31、DAC的功能:将数字量成正比地转换为与之对应的模拟量。（设D/A转换器的输入数字量为 n位）n位数字量模拟量05V或010V等 D/A 转换器概述DAC4位8位10位1位16位等n=4如何实现D/A？ 数字量是用代码按数位组合而成的, 对于有权码，每位代码都有一定的权

2、值，如能将每一位代码按其权的大小转换成相应的模拟量, 然后，将这些模拟量相加，即可得到与数字量成正比的模拟量, 这样，就可以实现数字量-模拟量的转换。2. 实现D/A转换的基本思想 D/A 转换器概述53. D/A转换器的组成: 电阻网络 模拟电子开关 求和运算放大器 D/A 转换器概述6倒T形电阻网络D/A转换器Di=0, Si则将电阻2R接地Di=1, Si接运算放大器反相端，电流Ii流入求和电路 电阻网络模拟电子开关求和运算放大器输出模拟电压输入4位二进制数根据运放线性运用时虚地的概念可知，无论模拟开关Si处于何种位置，与Si相连的2R电阻将接“地” 或虚地。 1、原理电路72. 工作原

3、理：II2I1I0I3流入运放的总电流： i I0 + I1 + I2 + I3(1.1)倒T形电阻网络D/A转换器82. 工作原理：II2I1I0I3输出模拟电压： (1.2)倒T形电阻网络D/A转换器92. 工作原理：4 位倒T形电阻网络DAC的输出模拟电压： (1.2)推广到 n 位倒T形电阻网络DAC,有： (1.3)令：则O = K NB (1.4)上式表明，在电路中输入的每一个二进制数NB，均能得到与之成正比的模拟电压输出。 倒T形电阻网络D/A转换器10为提高D/A转换器的精度，对电路参数的要求： (1) 基准电压稳定性好；(2) 倒T形电阻网络中R和2R电阻比值的精度要高；(3

4、) 每个模拟开关的开关电压降要相等；(4)为实现电流从高位到低位按2的整数倍递减，模拟开关的导通电阻也相应地按2的整数倍递增。为进一步提高D/A转换器的精度，可采用权电流型D/A转换器。 倒T形电阻网络D/A转换器11权电流型D/A转换器Di =1时，开关Si接运放的反相端; Di= 0时，开关Si接地。 电路在恒流源电路中，各支路权电流的大小均不受开关导通电阻和压降的影响，这样降低了对开关电路的要求，提高了转换精度。采用恒流源电路后对提高转换精度有什么好处？12 D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0模拟量 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0 0 0 0 0 0 1 1 0 0

5、0 0 0 0 0 0 1 1 1 1 1 1 1 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 D/A转换器的输出方式8位D/A转换器在单极性输出时的输入/输出关系13D/A转换器的主要技术指标1. 转换精度 ：通常用分辨率和转换误差来描述。 分辨率：其定义为D/A转换器模拟输出电压可能被分离的等级数。实际应用中往往用输入数字量的位数表示D/A转换器的分辨率。 分辨率也可以用能分辨的最小输出电压与最大输出电压之比给出。n位D/A转换器的分辨率可表示为14转换误差：转换误差：转换误差是指D/A转换器实际精度与理论上可达到的精度之间存在误差。产生原因：由于D/A转换器中各元件参

6、数值存在误差，如基准电压不够稳定或运算放大器的零漂等各种因素的影响。D/A转换器的主要技术指标15例1：有一个8位单极性输出的DAC，其满度输出电压为Vom=25.5V，当输入数字量为11101101时，输出电压是多少？D/A计数器CP计数脉冲3o例2：有一个3位单极性输出DAC，其最小可分辨电压=1V，电路连接如下图所示。其中的计数器是上升沿触发的，试画出对应时钟信号10个脉冲的输出电压V0的波形。16 A/D转换器要将时间上连续，幅值也连续的模拟量转换为时间上离散，幅值也离散的数字信号，它一般要包括取样， 保持，量化及编码4个过程。 A/D转换器ADCDnD0输出数字量输入模拟电压概述1.

7、 A/D功能:能将模拟电压成正比地转换成对应的数字量。17A/D转换的一般工作过程 1. 取样与保持 采样是将随时间连续变化的模拟量转换为在时间离散的模拟量。 采样信号S(t)的频率愈高，所采得信号经低通滤波器后愈能真实地复现输入信号。合理的采样频率由采样定理确定。 采样定理：设采样信号S(t)的频率为fs，输入模拟信号i(t)的最高频率分量的频率为fimax，则 fs 2fimax182. 量化与编码为将模拟信号转换为数字量，在A/D转换过程中，必须将采样保持电路的输出电量，按某种近似方式归化到与之相应的离散电平上。这一转化过程我们称为数值量化，简称量化。任何一个数字量的大小只能是某个规定的

8、最小数量单位的整数倍。量化后的数值最后还需通过编码过程用一个代码表示出来。经编码后得到的代码就是A/D转换器输出的数字量。 A/D转换的一般工作过程量化编码19(1)量化及量化误差量化过程中所取最小数量单位称为量化单位用表示。它是数字信号最低位为1时所对应的模拟量，即1LSB。任何一个数字量的大小只能是某个规定的最小数量单位的整数倍。在量化过程中由于采样电压不一定能被整除，所以量化前后不可避免地存在误差，此误差我们称之为量化误差，用表示。量化误差属原理误差，它是无法消除的。A/D转换器的位数越多，各离散电平之间的差值越小，量化误差越小。 两种近似量化方式：只舍不入量化方式和四舍五入的量化方式。

9、 A/D转换的一般工作过程20只舍不入量化方式:量化中把不足1个量化单位的部分舍弃；最大量化误差为：四舍五入量化方式:量化过程将不足半个量化单位部分舍弃，对于等于或大于半个量化单位部分按一个量化单位处理。其最大量化误差为：最大量化误差为（2）两种量化方式01V1111101011000110100010000=0 v7=7/8 v6=6/8 v5=5/8 v4=4/8 v3=3/8 v2=2/8 v1=1/8 v输入信号编码模拟电平01V110101100011010001000输入信号编码模拟电平0=0 v1=2/15 v2=4/15 v3=6/15 v4=8/15 v5=10/15 v6=

10、12/15 v7=14/15 v111A/D转换的一般工作过程21A/D转换器分类并联比较型特点: 转换速度快，转换时间 10ns 1s， 但电路复杂。 逐次逼近型 特点: 转换速度适中，转换时间 为几s 100 s, 转换精度高，在转换速度和硬件复杂度之间达到一个很好的平衡。 双积分型 特点: 转换速度慢，转换时间：几百s 几ms，但抗干扰能力最强。A/D转换器22并行比较型A/D转换器电压比较器输入模拟电压精密电阻网络（23个电阻）精密参考电压D触发器VREF/153VREF/157VREF/159VREF/1511VREF/155VREF/1513VREF/15输出数字量电路组成2311

11、VREF/159VREF/1513VREF/157VREF/153VREF/15VREF/155VREF/15VI=8VREF/1511110000001111I7的优先级最高001vivO工作原理并行比较型A/D转换器24 vI CO1 CO2 CO3 CO4 CO5 CO6 CO7 D2 D1 D0 7VREF/15 vI 9VREF/15 0 0 0 1 1 1 1 1 0 0 9VREF/15 vI 11VREF/15 0 0 1 1 1 1 1 1 0 1 5VREF/15 vI 7VREF/15 0 0 0 0 1 1 1 0 1 1 3VREF /15 vI 5VREF/15 0

12、 0 0 0 0 1 1 0 1 0 11VREF/15 vI 13VR/15 0 1 1 1 1 1 1 1 1 013VREF/15 vI VREF/15 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 VREF/15 vI 3VREF/15 0 0 0 0 0 0 1 0 0 1 0 vI VREF/15 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 根据各比较器的参考电压值，可以确定输入模拟电压值与各比较器输出状态的关系。比较器的输出状态由D触发器存储，经优先编码器编码，得到数字量输出。 并行比较型A/D转换器25在并行A/D转换器中，输入电压I同时加到所有比较器的输入端，从I加入到三位数字量稳定输

13、出所经历的时间为比较器、D触发器和编码器延迟时间之和。如不考虑各器件的延迟，可认为三位数字量是与I输入时刻同时获得的。所以它具有最短的转换时间。 缺点是电路复杂，如三位ADC需比较器的个数目为7个,位数越多,矛盾越突出。为了解决提高分辨率和增加元件数的矛盾，可以采取分级并行转换的方法。 单片集成并行比较型A/D转换器的产品很多，如AD公司的AD9012 (TTL工艺8位)、AD9002 (ECL工艺，8位)、AD9020 (TTL工艺，10位)等。 并行比较型A/D转换器26逐次比较型A/D转换器逐次逼近转换过程与用天平称物重非常相似 。所加砝码重量第一次第二次第三次第四次再加4克再加2克再加

14、1克8 克砝码总重 待测重量Wx ，8克砝码保留砝码总重仍 待测重量Wx ， 2克砝码撤除砝码总重 待测重量Wx ， 1克砝码保留 结果8 克12 克12 克13 克 1. 转换原理 所用砝码重量：8克、4克、2克和1克。设待秤重量Wx = 13克。称重过程 2710000000A=6.84VVREF=10V10101111逐次比较型A/D转换器28小结： 1、 逐次比较型A/D转换器输出数字量的位数越多转换精度越高； 2、逐次比较型A/D转换器完成一次转换所需时间与其位数n和时钟脉冲频率有关，位数愈少，时钟频率越高，转换所需时间越短。逐次比较型A/D转换器291.转换精度 A/D转换器的主要

15、技术指标 单片集成A/D转换器的转换精度是用分辨率和转换误差来描述的。分辨率:说明A/D转换器对输入信号的分辨能力。通常以输出二进制(或十进制)数的位数表示。 转换误差：表示A/D转换器实际输出的数字量和理论上的输出数字量之间的差别。通常以输出误差的最大值形式给出，常用最低有效位的倍数表示。 30A/D转换器的主要技术指标2.转换时间 指A/D转换器从转换控制信号到来开始，到输出端得到稳定的数字信号所经过的时间。 A/D转换器的转换时间与转换电路的类型有关并行比较A/D转换器的转换速度最高 ,逐次比较型A/D转换器次之 ,间接A/D转换器(如双积分A/D)的速度最慢。 并行比较A/D转换器(8位） 逐次比较型A/D转换器 间接A/D转换器1050s50ns1